[論文レビュー] Measurement of the $ au$ lepton polarization in Z boson decays in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2366 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、LHCのCMS実験が収集した13 TeVの陽子-陽子衝突データ（36.3 fb⁻¹）を用いて、Z → τ⁺τ⁻崩壊におけるτレプトンの偏極の高精度測定を提示している。レプトン的およびハドロン的τ崩壊モードを分析することで、Pτ(Z) = −0.144 ± 0.015が得られ、標準模型の予測と整合的であり、sin²θeff_W = 0.2319 ± 0.0019が得られ、LEP測定と非常に良好に一致している。

ABSTRACT

The polarization of $ au$ leptons is measured using leptonic and hadronic $ au$ lepton decays in Z $ o au^+ au^-$ events in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV recorded by CMS at the CERN LHC with an integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$. The measured $ au^-$ polarization at the Z boson mass pole is $\mathcal{P}_{ au}$(Z) = $-$0.144$\pm$0.006 (stat) $\pm$ 0.014 (syst) = $-$0.144$\pm$0.015, in good agreement with the measurement of the $ au$ lepton asymmetry parameter of $A_{ au}$ = 0.1439$\pm$0.0043 = $-\mathcal{P}_{ au}$(Z) at LEP. The $ au$ polarization depends on the ratio of the vector to axial-vector couplings of the $ au$ leptons in the neutral current expression, and thus on the effective weak mixing angle $\sin^{2} heta_\mathrm{W}^{ ext{eff}}$, independently of the Z boson production mechanism. The obtained value $\sin^{2} heta_\mathrm{W}^{ ext{eff}}$ = 0.2319$\pm$0.0008 (stat) $\pm$ 0.0018 (syst) = 0.2319$\pm$0.0019 is in good agreement with measurements at e$^+$e$^-$ colliders.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突におけるZ → τ⁺τ⁻崩壊におけるτレプトン偏極を測定すること。
• 有効弱混合角sin²θeff_Wを介して、弱い中性荷電現在のレプトンユニバーサリティをテストすること。
• Zボソン生成メカニズムに依存しない、τレプトンの結合のみを用いたsin²θeff_Wの高精度決定を提供すること。
• 新しい実験的環境（pp衝突）において、標準模型が予測するτレプトン偏極の妥当性を検証すること。

提案手法

• τₑ、τμおよびτₕのレプトン的およびハドロン的崩壊モード（τₑτμ、τₑτₕ、τμτₕ、τₕτₕ）を組み合わせてZ → τ⁺τ⁻イベントを再構築する。
• τレプトンの静止系におけるτ崩壊生成物の角度分布およびエネルギー分布を用いて偏極を測定する。
• 偏極を抽出するために、微分断面積dσ/dcosθτ = F₀(ŝ)(1 + cos²θτ) + 2F₁(ŝ)cosθτ − λτ[F₂(ŝ)(1 + cos²θτ) + 2F₃(ŝ)cosθτ]を用いる。
• τ崩壊生成物の角度分布に対する最尤フィットを適用し、PτおよびAτを決定する。
• PYTHIA8およびTAUOLAを用いたモンテカルロシミュレーションを用いて、検出器効果およびバックグラウンド寄与を補正する。
• 統計的およびシステムティックな不確実性を考慮して、Pτ(Z)およびsin²θeff_Wを同時にフィットで抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVのpp衝突におけるZ → τ⁺τ⁻崩壊におけるτレプトン偏極Pτの測定値は何か？
• RQ2 測定されたτレプトン偏極は、標準模型の予測およびe⁺e⁻衝突加速器での以前の測定とどのように比較されるか？
• RQ3 測定された偏極が有効弱混合角sin²θeff_Wをどの程度制約するか？
• RQ4 この測定は、τレプトンの偏極を介してZボソン結合におけるレプトンユニバーサリティを確認するか？

主な発見

• Zボソン質量極での測定されたτ⁻レプトン偏極はPτ(Z) = −0.144 ± 0.015（統計的不確実性0.006、システムティック不確実性0.014）である。
• この結果は、LEP測定のAτ = 0.1439 ± 0.0043と非常に良好に一致しており、Pτ = −Aτであることが確認された。
• 有効弱混合角はsin²θeff_W = 0.2319 ± 0.0019として決定され、LEP測定と整合的である。
• この測定は、Zボソン生成ダイナミクスに依存しない、τレプトン結合のみを用いたsin²θeff_Wの正確な決定を提供している。
• 結果は、標準模型が予測するように、弱い中性荷電現在相互作用におけるレプトンユニバーサリティを支持している。
• この分析は、高多重度のpp衝突環境におけるτレプトン偏極測定の実現可能性と精度を示している。